談高中生物中的同位素標記法

摘要：同位素標記法是生物學常用的一種研究方法，該研究方法多次出現(xiàn)在高中生物教材中， 也常作為重要的背景材料出現(xiàn)在高考及各類試題中.本文對什么是同位素標記法、在高中教材及試題中的同位素標記法進行了介紹.

關(guān)鍵詞：同位素；同位素標記法；歸納總結(jié)；試題；應用

作者簡介：張志艷（1978-），女，河北省遷安市，大學本科，理學學士，中學一級，主研高中生物教學.

同位素標記法是生物學常用的一種研究方法，此研究方法在高中生物教材中多次出現(xiàn)，那么什么是同位素標記法？先說說什么是同位素：具有相同質(zhì)子數(shù)，不同中子數(shù)（或不同質(zhì)量數(shù)）同一元素的不同核素互為同位素.例如碳-12和碳-14，碳-12的原子核中有6個質(zhì)子和6個中子，碳-14有6個質(zhì)子和8個中子.同位素的表示方法是在該元素符號的左上角注明質(zhì)量數(shù)，例如碳-14，一般用14C來表示.

同位素標記法在人教版高中生物教材中描述為：“同位素可用于追蹤物質(zhì)的運行和變化規(guī)律.用同位素標記的化合物，化學性質(zhì)不會改變.科學家通過追蹤同位素標記的化合物，可以弄清化學反應的詳細過程.這種方法叫做同位素標記法.”

一、高中生物學教材中的同位素標記法

以人教版高中生物教材為例，按教材順序總結(jié)如下：

1.分泌蛋白的合成與分泌（必修一第48頁資料分析）

科學家在分析分泌蛋白的合成和分泌時，在豚鼠的胰腺細胞中注射3H標記的亮氨酸.3min后被標記的亮氨酸出現(xiàn)在附有核糖體的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中；17min后，出現(xiàn)在高爾基體中；117min后，出現(xiàn)在靠近細胞膜內(nèi)側(cè)的囊泡中及釋放到細胞外的分泌物中.由此發(fā)現(xiàn)了分泌蛋白的合成與分泌途徑：核糖體→內(nèi)質(zhì)網(wǎng)→高爾基體→囊泡→細胞膜→細胞外.

2.光合作用中氧氣的來源（必修一第102頁）

1941年，魯賓和卡門用18O分別標記H2O和CO2，然后進行兩組對比實驗：一組提供H2O和C18O2，另一組提供H182O和CO2.在其他條件相同情況下，分析出第一組釋放的氧氣全部為O2，第二組全部為18O2，有力地證明了植物釋放的O2來自于H2O而不是CO2.

3.光合作用中有機物的合成（必修一第102頁）

20世紀40年代美國生物學家卡爾文等用單細胞的小球藻做實驗，供給含14C的CO2進行光合作用，然后追蹤檢測放射性，最終探明了CO2中C在光合作用中轉(zhuǎn)化成有機物中的碳的途徑——卡爾文循環(huán).

4.噬菌體侵染細菌的實驗（必修二第45頁）

1952年赫爾希和蔡斯用大腸桿菌和T2噬菌體作為試驗材料，分別用含有放射性同位素35S和放射性同位素32P的培養(yǎng)基培養(yǎng)大腸桿菌，然后用T2噬菌體分別浸染上述細菌，從而得到DNA中含有32P或蛋白質(zhì)中含有35S的噬菌體.接著，他們分別用被32P或35S標記的T2噬菌體去感染未被標記的大腸桿菌，經(jīng)過短時間的保溫，用攪拌器攪拌、離心.這時，離心管的上清液中就會析出重量較輕的T2噬菌體顆粒，離心管的沉淀物中則含有被感染的細菌，分析放射性物質(zhì)的存在場所，從而證明DNA才是遺傳物質(zhì).

5.DNA的半保留復制（必修二第52頁）

1958年，科學家以大腸桿菌為實驗材料，用含15N的培養(yǎng)基培養(yǎng)大腸桿菌，使之變成“重”細菌，再把它放在含14N的培養(yǎng)基中繼續(xù)培養(yǎng).在不同時間取樣，并提取DNA進行密度梯度離心，根據(jù)輕重鏈浮力等的不同，就分出新生鏈和母鏈，這就證實了DNA復制的半保留性.

6.基因工程（選修三第14頁）

在目的基因的檢測與鑒定中，采用了DNA分子雜交技術(shù).將轉(zhuǎn)基因生物的基因組DNA提取出來，在含有目的基因的DNA片段用放射性同位素作標記，以此為探針使之與基因組DNA雜交，如果顯示出雜交帶，就表明目的基因已導入受體細胞中.

其次，還采用上述同樣方法檢測目的基因是否轉(zhuǎn)錄出了mRNA，不同的是從轉(zhuǎn)基因生物中提取的是mRNA，同樣用標記的目的基因做探針，與mRNA雜交，如果顯示出雜交帶，則表示目的基因轉(zhuǎn)錄出了mRNA.

通過以上的總結(jié)可以看出，同位素標記法在高中生物學教學和學習中占有舉足輕重的地位.在高中生物的許多習題中都涉及同位素標記法的應用.

二、有關(guān)例題的分析

1.分泌蛋白的合成、加工和運輸?shù)难芯?/p>

例：用35S標記一定量的氨基酸，并用來培養(yǎng)哺乳動物的乳腺細胞，測得核糖體、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)、高爾基體上放射性強度的變化曲線（圖甲）以及在此過程中高爾基體、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)、細胞膜膜面積的變化曲線（圖乙），下列分析不正確的是（）

A.甲圖中的a、b、c三條曲線所指代的細胞器分別是核糖體、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)、高爾基體

B.與乳腺分泌蛋白的合成與分泌密切相關(guān)的具膜細胞器是內(nèi)質(zhì)網(wǎng)、高爾基體和線粒體

C.乙圖中d、e、f三條曲線所指代的膜結(jié)構(gòu)分別是細胞膜、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜、高爾基體膜

D.35S在細胞各個結(jié)構(gòu)間移動的先后順序是核糖體→內(nèi)質(zhì)網(wǎng)→高爾基體→細胞膜

解析：本題考查分泌蛋白的合成、加工和運輸過程.分泌蛋白首先在核糖體上合成，再依次經(jīng)過內(nèi)質(zhì)網(wǎng)和高爾基體的加工，最后，由細胞膜分泌到細胞外，在此過程中，線粒體提供能量，因此，選項A、B、D正確；分泌蛋白在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)初步加工后，由內(nèi)質(zhì)網(wǎng)“出芽”形成囊泡，囊泡與高爾基體膜融合，經(jīng)高爾基體進一步加工后，再由高爾基體“出芽”形成囊泡，囊泡與細胞膜融合，因此，分泌蛋白分泌前后對比，內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜面積相對減少，細胞膜面積相對增大，高爾基體膜面積先增大后減少，最后基本不變，選項C錯誤.

答案：C

2.細胞的結(jié)構(gòu)和功能的研究

例：將用3H標記的尿苷引入植物細胞內(nèi)，然后設法獲得各種細胞結(jié)構(gòu)，其中能表現(xiàn)出放射性的一組結(jié)構(gòu)是（）

A.細胞核、核仁、中心體

B.細胞核、核糖體、高爾基體

C.細胞核、核糖體、線粒體、葉綠體

D.細胞核、核糖體、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)、液泡

解析： 因為3H標記的尿苷是合成RNA的原料，在細胞核、核糖體、線粒體、葉綠體中均有新合成的RNA，所以，這些結(jié)構(gòu)應表現(xiàn)出放射性.

答案：C

3.光合作用過程的研究

例：科學家利用含有14C的二氧化碳來追蹤光合作用中的原子，這種碳原子的轉(zhuǎn)移途徑最可能是（）

A.二氧化碳→葉綠素→ADP

B.二氧化碳→葉綠素→ATP

C.二氧化碳→C5→葡萄糖

D.二氧化碳→C3→糖類

解析：本題考查光合作用過程中C原子的轉(zhuǎn)移途徑.光合作用的暗反應過程：（1）CO2固定：CO2+C5→2C3；（2） C3的還原：2C3 →（C H2O）+ C5.由此可見，碳原子的轉(zhuǎn)移途徑是：CO2→C3→糖類.故選D

答案：D

4.細胞呼吸過程的研究

例：讓一只白鼠吸入有放射性的18O2，該白鼠體內(nèi)最先出現(xiàn)含18O2的化合物是（）

A.二氧化碳B.水C.丙酮酸D.乳酸

解析：根據(jù)有氧呼吸的第三階段：24[H]+6O2酶12H2O+能量，當用18O標記氧氣時，氧氣中的氧原子全部用來氧化還原氫生成水，所以，該白鼠體內(nèi)最先出現(xiàn)含18O2的化合物是水.故選B.

答案：B

5.光合作用和細胞呼吸過程的綜合研究

例：如圖所示為某植物細胞部分結(jié)構(gòu)示意圖，據(jù)圖分析，下列四項敘述中正確的是（）

A.a、b箭頭表示的是O2進出細胞的過程

B.e、f箭頭表示的是CO2進出細胞的過程

C.以C18O2作原料進行光合作用，在較強光照下，測得含18O的呼吸作用產(chǎn)物的主要去向是圖中的d

D.以H182O作原料進行光合作用，在較強呼吸作用下，測得含18O的光合作用產(chǎn)物的主要去向是圖中的b

解析：圖示考查光合作用和細胞呼吸的聯(lián)系及物質(zhì)轉(zhuǎn)化關(guān)系.a表示葉綠體吸收CO2，b表示葉綠體釋放O2，e表示線粒體吸收O2，f表示線粒體釋放CO2，c表示葉綠體產(chǎn)生的O2被線粒體利用，d表示線粒體產(chǎn)生的CO2被葉綠體利用.以C18O2作原料進行光合作用，18O的轉(zhuǎn)移途徑為C18O2→有機物→C18O2，在較強光照下，光合作用速率大于呼吸作用速率，呼吸產(chǎn)物C18O2主要被葉綠體利用，即主要去向是圖中的d.以H182O作原料進行光合作用，18O全部生成氧氣，在較強呼吸作用下，氧氣主要被線粒體利用，進行有氧呼吸，即主要去向是圖中的c.

答案：C

6.噬菌體侵染細菌的研究

例：如果用 15N 、 32P、 35S標記噬菌體后，讓其侵染細菌，在產(chǎn)生的子代噬菌體的組成結(jié)構(gòu)成分中，能夠找到的放射性元素為 （）

A.可在外殼中找到 15N 和 35S

B.可在DNA中找到 15N 和 32P

C.可在外殼中找到 15N

D.可在DNA中找到 15N 、 32P和 35S

解析：合成子代噬菌體蛋白質(zhì)外殼的原料均由細菌提供，因此，子代噬菌體的蛋白質(zhì)外殼中找不到15N和35S，A錯誤；合成子代噬菌體DNA的原料均由細菌提供，但DNA的復制方式為半保留復制，因此，在子代噬菌體的DNA中可以找到15N和32P，B正確；合成子代噬菌體蛋白質(zhì)外殼的原料均由細菌提供，因此，在子代噬菌體的蛋白質(zhì)外殼中也找不到15N，C錯誤；噬菌體的DNA中不含S元素，D錯誤.

答案：B.

7.DNA復制的研究

例：用15N標記的一個DNA分子放在含有14N的培養(yǎng)基中讓其復制三次，則含有14N的DNA分子占全部DNA分子的比例和含15N的DNA分子占全部DNA單鏈的比例依次為（）

A.1/9，1/4B.1，1/8

C.1/4，1/6D.1/8，1/8

解析：根據(jù)DNA分子的復制為半保留復制的特點，在復制過程中DNA的兩條鏈均作母鏈（模板）而形成子鏈，形成兩個DNA分子，子代DNA的兩條鏈中，一條來自母鏈，一條是新合成的子鏈.復制三次，共形成8個DNA分子.在8個DNA分子的16條單鏈中，只有兩個DNA分子兩條鏈含有原來標記的15N，但是在新合成的DNA分子中每條鏈都含有14N.

答案：B.

8.生長素極性運輸?shù)难芯?/p>

例：用同位素14C 標記的吲哚乙酸來處理一段枝條一端，然后探測另一端是否含有放射性14C 的吲哚乙酸存在.枝條及位置如右上圖.下列有關(guān)處理方法及結(jié)果的敘述正確的是 （）

A .處理甲圖中 A 端，能在甲圖中 B 端探測到 14 C 的存在

B .處理乙圖中 A 端，能在乙圖中 B 端探測到 14 C 的存在

C .處理甲圖中 B 端，能在甲圖中 A 端探測到 14 C 的存在

D .處理乙圖中 B 端，不可能在乙圖中 A 端探測到 14 C 的存在

解析：觀察題圖可知，甲圖中A端為形態(tài)學上端，B端為形態(tài)學下端，乙圖中A端為形態(tài)學下端，B端為形態(tài)學上端.生長素的運輸方式是極性運輸，方向是從形態(tài)學上端到形態(tài)學下端，因此，處理甲圖中A端，能在B端檢測到14C的存在，A正確；處理乙圖A端，在B端不能檢測到14C的存在，B錯誤；處理甲圖中B端，不可能在A端檢測到14C的存在，C錯誤；處理乙圖中B段，可以在A端檢測到14C的存在，故D錯誤.

答案：A